Для бурения скважин диаметром более 75 мм и глубиной свыше 8—10 мм применяют специальные бурильные станки. Наибольшее распространение в строительстве -получили станки ударно-канатного, вращательного и огневого (термического) бурения.
Станки ударно-канатного бурения. Сущность работы станка ударно-канатного бурения заключается в том, что буровой снаряд массой 500—3000 кг, подвешенный к канату, периодически поднимаясь и опускаясь, наносит от 40 до 60 ударов в минуту по забою скважины и разрушает породу. Рабочим инструментом бурового снаряда является долото. После нанесения удара буровой инструмент, поднимаясь, поворачивается в скважине на некоторый угол вследствие свойства стального каната раскручиваться под нагрузкой, и, таким образом, забой скважины равномерно разрушается по всей площади. Буровая мелочь смешивается с водой, образуя шлам, который периодически извлекается из скважины желонкой.
Станки ударно-канатного бурения (рис. 167) применяют для бурения скважин диаметром до 300 мм. Эти станки монтируют на колесном или гусеничном ходу.
Рис. 167. Схема станка
Буровой снаряд подвешен на ударно-канатного бурения канате, который проходит через блок на мачте станка,оттяжной и направляющий блоки, и закрепляется на барабане.Оттяжнойблокустановлен на балансире,которыйподдействием кривошипно-шатунногомеханизма, состоящего из шатуна и зубчатогоколеса с кривошипом, может совершать колебания вокруг оси направляющего блока. При ходе балансира вниз буровой снаряд поднимается, а при ходе балансира вверх снаряд падает и ударяет по породе, разрушая ее.
По мере углубления скважины оттормаживают барабан 6 и сматывают канат, давая возможность буровому снаряду опускаться ниже.
Все станки ударно-канатного бурения имеют следующие основные узлы: раму, мачту, ходовой механизм (гусеничный), механическое и силовое оборудование и буровой инструмент. Принцип действия и конструкция основных узлов для всех станков аналогичны.
Высота падения (подъема) бурового снаряда составляет обычно 0,8—1 м. Поэтому число ударов не может быть выбрано произвольно и составляет 45—60 в минуту в зависимости от высоты подъема снаряда. Невысокая частота ударов ограни-чивает скорость бурения. Кроме того, при этом способе бурения на производительность станка существенно влияют и производственные трудности, связанные с доставкой к забоям воды и тяжелого бурового инструмента.
Длительный опыт использования станков канатно-ударного бурения показал, что они имеют низкую производительность (в среднем от 3 до 10 м в смену) и недостаточно эффективны. Поэтому в гидротехническом строительстве переходят к применению более прогрессивных типов бурильных станков, которыми являются станки вращательного и огневого бурения.
Станки вращательного бурения в зависимости от способа подачи бурового инструмента подразделяют на станки с рычажной, дифференциальной, гидравлической и рычажно-дифференциальной подачей. Проходка скважин станками вращательного бурения в значительной мере повышает скорость бурения по сравнению с бурением канатно-ударными станками. Такие станки с пневматической продувкой скважин и статическим осевым нажатием на буровой инструмент в 3—4 раза производительнее станков ударно-канатного бурения. Станки вращательного бурения применяют для бурения скважин диаметром от 300 мм в мягких, средних и крепких породах.
В настоящее время наша промышленность выпускает значительное количество различного типа станков для вращательного бурения. Наиболее распространенными из них являются станки шнекового бурения. Шнековое бурение аналогично бурению шпуров электросверлами. Наконечник бурового инструмента (резец) скалывает и сверлит породу, а образующаяся при этом мелочь удаляется шнековым устройством буровых штанг. Буровой инструмент вставляют в шпиндель редуктора, вращающий его со скоростью 120—300 об/мин пои осевом давлении 2—10 кн (200—1000 кГ).
На рис. 168 приведены общий вид и кинематическая схема станка вращательного бурения. Станок (рис. 168, а) состоит из следующих частей: механизма передвижения, лебедки для подъема бурового инструмента, электродвигателя 3 лебедки, рычагов управления блокировки 4 и вращателя, состоящего из редуктора и электродвигателя.
Принцип действия станка показан на рис. 168, б. К вертикальной раме станка (не показанной на рисунке) при помощи каната приводной лебедки подвешивается на полиспасте рама подвески, которая может перемещаться по вертикальным стойкам рамы станка. На раме подвески расположены электродвигатель и двухступенчатый редуктор, к валу которого прикрепляется спиральная штанга с буровым инструментом, состоящим из буровой головки, а также хвостовиков и патронов для соединения штанг и буровой головки при помощи пальцев с шайбами. Рабочим органом является литая буровая головка с режущими лопастями и хвостовиком. Режущие кромки лопастей наплавляют твердым сплавом. Для бурения особо крепких пород буровая головка оснащается алмазами.
Бурение скважины может продолжаться непрерывно только на глубину одной штанги, после чего двигатель вращателя выключают, штангу отсоединяют от шпинделя вращателя и лебедкой вращатель поднимают вверх. Инструмент наращивают новой штангой, присоединяют ее к вращателю, и бурение продолжается. Подача инструмента на забой происходит за счет силы тяжести вращателя, перемещающегося по направляющим мачты и штанг.
Характерным для станков шарошечного бурения является то, что шарошечные долота требуют значительно больших усилий подачи, чем обычные коронки вращательного бурения. Поэтому станки шарошечного бурения выполняют с гидравлическими механизмами подачи, так как вес вращателя и штанг недостаточен для создания необходимого усилия подачи.
При шарошечном бурении буровой инструмент состоит из буровых труб (штанг) и шарошечных долот. Наибольшее распространение получили трехшарошечные долота (рис. 169), в которых различают тело долота, три лапы с цапфами, шарико-роликовые опоры, три конические шарошки, запорный палец и промывочную плиту. Сжатый воздух для продувки поступает к опорам шарошек через центральный канал, образованный лапами, и, кроме того, через специальные каналы, проходящие через лапу. Для бурения наиболее крепких пород в конце шарошек вместо зубьев вставляют цилиндрики из твердых сплавов. В отдельных случаях буровые коронки армируют мелкими алмазами.
На рис. 170 приведен буровой самоходный станок враща-тельно-шарошечного бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 200 мм. Станок предназначен для бурения особо крепких пород. Основными частями станка являются гусеничный ходовой механизм, напорный механизм, мачта, механизм подачи штанг, компрессор, буровой став и гидродомкраты. Конструкцией станка предусмотрены автоматизация процесса бурения, подача бурового става на забой скважины, изменение величины осевого давления в зависимости от коэффициента крепости буровых пород. Наращивание и разборка става буровых штанг механизированы. Установка ставка в горизонттальное положение, подъем и опускание мачты, регулирование усилия нажатия на забой и управление патроном при перехвате штанг осуществляются при помощи гидравлической системы. Буровая мелочь удаляется сжатым воздухом при помощи установленных на станке двух компрессоров общей производительностью 18 MS/MUH. Скорость вращения долота регулируется в пределах 30—3000 об/мин при осевом давлении на забой скважины 19 т.
Станки вращательного бурения являются самоходными машинами на гусеничном или шагающем ходу. Кинематическая схема такого станка обычно
обеспечивает выполнение следующих основных операций:
а) вращения бурового инструмента;
б) регулирования его подачи (осевого нажатия на инструмент);
в) опускания и подъема инструмента и г) удаления из скважины продуктов бурения.
Оптимальный режим бурения определяется рациональным соотношением скорости вращения инструмента и величины осевого нажатия на него при оптимальной скорости удаления продуктов бурения из скважины. Поэтому вращательные станки должны обеспечивать различный режим бурения в соответствии с характером породы.
